(57)【要約】【課題】照明装置に用いられるペルチェモジュールの冷却面と放熱面の熱収縮の差によりペルチェモジュールの内部に発生する応力によって、電気経路が破断されるため、照明装置の大型化、高輝度化ができないという課題があった。【解決手段】ペルチェモジュール１１０、１２０を複数用い、発光部材１０１と、前記発光部材と熱的接合された第１の熱伝導部材１０２と、前記複数のペルチェモジュールの冷却面と前記第１の熱伝導部材との間にそれぞれ設けられ、熱伝導性および電気絶縁性を有する複数の熱伝導性電気絶縁部材１１１、１２１とを備える構成とした。これによりペルチェモジュール内部に発生する応力を従来の半分以下にすることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光部材と、
前記発光部材と熱的接合された第１の熱伝導部材と、
複数のペルチェモジュールと、
前記複数のペルチェモジュールの冷却面と前記第１の熱伝導部材との間にそれぞれ設けられ、熱伝導性および電気絶縁性を有する複数の熱伝導性電気絶縁部材と、
を備える照明装置。
【請求項２】
弾性または塑性を有する第２の熱伝導部材と、
前記複数のペルチェモジュールの放熱面と前記第２の熱伝導部材との間にそれぞれ設けられ、熱伝導性および電気絶縁性を有する複数の熱伝導性電気絶縁部材と、
をさらに備える請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記複数のペルチェモジュールの放熱面に熱的接合され、弾性または塑性および電気絶縁性を有する第２の熱伝導部材をさらに備える請求項１に記載の照明装置。
【請求項４】
前記複数のペルチェモジュールからの熱を放熱する放熱手段をさらに備える請求項１から３のいずれかに記載の照明装置。
【請求項５】
前記第２の熱伝導部材と熱的接合されたヒートシンクをさらに備える請求項２または３に記載の照明装置。
【請求項６】
前記複数のペルチェモジュールがそれぞれ独立に駆動される請求項１から５のいずれかに記載の照明装置。
【請求項７】
前記複数のペルチェモジュールをそれぞれ独立に駆動する制御手段をさらに備える請求項１から５のいずれかに記載の照明装置。
【請求項８】
前記発光部材の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記複数のペルチェモジュールをそれぞれ独立に駆動する制御手段をさらに備える請求項１から５のいずれかに記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発光ダイオードや半導体レーザーなどの光源装置から照射された光を反射型表示素子などのライトバルブに入射させ、ライトバルブから出射された映像光を投写レンズなどによりスクリーンに拡大投写される表示装置が広く知られている。表示装置においては、表示画像の明るさの確保が重要な課題であり、例えば光源装置である発光ダイオードへの供給電流を増加させて明るさを大きくすることが検討されている。しかしながら、発光量の増大にともなって発熱量も増加するため、冷却装置として電子冷却素子を備える照明装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１における照明装置は、発光ダイオードチップを備えた光源と熱電変換装置いわゆる電子冷却素子であるペルチェ素子によって冷却可能にしている。具体的には、ペルチェ素子の冷却面に発光ダイオードが直接に実装されているものである。また、特許文献１では光源装置とペルチェ素子とを電気的に直列に接続するようにしており、発光ダイオードの供給電流とペルチェ素子の供給電流を同じにするようにしている。さらに、複数の発光ダイオードチップを単一のペルチェ素子に実装する光源アレイを構成することができるとしている。
【０００４】
以下特許文献１における従来の照明装置について図６を参照しながら説明する。図６は、従来の照明装置の側面図である。
【０００５】
各ペルチェ素子の各上部電極６の上面には、上部基板５が接着されて配置されている。この上部基板５の上面は、ペルチェモジュール１の冷却面２を構成している。なお、各ペルチェ素子の各下部電極８の下面には下部基板７が接着されて配置されている。上部基板５の上面には、複数の発光ダイオードチップ３（以下ＬＥＤチップと称する）を実装して光源アレイ４を形成している。光源アレイ４とペルチェモジュール１は電気的に直列接続されている。
【０００６】
上部基板５及び下部基板７は、電気絶縁性を有するとともに熱伝導率の高いセラミック材料によって構成されている。電気絶縁性を有する材料を採用することにより、各ペルチェモジュール１の間及びペルチェモジュール１とＬＥＤチップ３との間の短絡を防止している。
【０００７】
次に、特許文献１における従来の照明装置の動作について述べる。
【０００８】
直流電源９から光源アレイ４に電流を供給すると光源アレイ４を構成する各ＬＥＤチップ３が発光する。このＬＥＤチップ３は、発光に伴って発熱し、温度上昇に伴って発光効率が低下するという性質を有する。しかし、光源アレイ４およびペルチェモジュール１が直列接続されているので、直流電源９から光源アレイ４とともにペルチェモジュール１にも電流が供給され、ペルチェモジュール１が駆動される。そして、光源アレイ４を構成する各ＬＥＤチップ３はペルチェモジュール１の冷却面２に実装されているので、駆動されたペルチェモジュール１によって各ＬＥＤチップ３が冷却される。これにより、各ＬＥＤチップ３の温度上昇が抑制されて、発光効率の低下が防止される。
【０００９】
次に直流電源９から光源アレイ４への供給電流を増加させて、各ＬＥＤチップ３の発光量を増加させる場合を考える。この場合は、ＬＥＤチップ３の発光量の増加に伴って発熱量も増加し、ＬＥＤチップ３の温度が上昇するおそれがある。しかし、光源アレイ４及びペルチェモジュール１が直列に接続されているので、光源アレイ４への供給電流の増加に伴って、ペルチェモジュール１の供給電流も増加する。これにより、ペルチェモジュール１の冷却能力が向上して、ＬＥＤチップ３に対する冷却が強化される。したがって、光源アレイ４を構成する各ＬＥＤチップ３の温度上昇が抑制されて、発光効率の低下が防止される。
【特許文献１】特開２００４−３４２５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、かかる従来の照明装置の構成では、以下のような課題がある。光源アレイを形成する場合は、１つのペルチェモジュール１の上部基板５に複数のＬＥＤチップ３を実装する構成になるため、光源アレイの大きさにほぼ等しい１つのペルチェモジュール１および上部基板５が用いられる。また、ペルチェモジュール１は、上部基板５が冷却され、下部基板７が加熱される。このとき、下部基板７は上部基板５よりも大きく膨張しようとする（または、上部基板５は収縮しようとする）。そして、上部基板５と下部基板７との間に接合される上部電極６、ｎ型の半導体、ｐ型の半導体、および、下部電極８のそれぞれの接合部に応力が発生する。この応力が、上部電極６または下部電極８とｎ型の半導体またはｐ型の半導体との接合部が剥離する応力に達すると剥離が発生する。
【００１１】
膨張率は、同じ温度上昇で比較した場合に部材の大きさに関わらず一定である。しかし、膨張量は、同じ温度上昇で比較した場合、部材の大きさが大きいほど大きくなる。したがって、かかる応力は、ペルチェモジュール１の上部電極６および下部電極８のサイズが大きくなるとともに大きくなることから、従来の照明装置の構成では、光源アレイの大きさを大きくするとペルチェモジュール１の寿命が低下するという課題があった。
【００１２】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ペルチェモジュールの信頼性向上により高輝度化が実現される照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的は、発光部材と、前記発光部材と熱的接合された第１の熱伝導部材と、複数のペルチェモジュールと、前記複数のペルチェモジュールの冷却面と前記第１の熱伝導部材との間にそれぞれ設けられ、熱伝導性および電気絶縁性を有する複数の熱伝導性電気絶縁部材とを備える照明装置により達成される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ペルチェモジュールの信頼性向上により高輝度化が実現される照明装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る照明装置の断面図である。本実施の形態における照明装置１００は、２個のペルチェモジュールを用いるものである。以下、第１のペルチェモジュール１１０、第２のペルチェモジュール１２０と称す。第１のペルチェモジュール１１０の冷却面である第１の上部電極１１２には第１の熱伝導性電気絶縁部材１１１が接合されている。また、第２のペルチェモジュール１２０の冷却面である第２の上部電極１２２には第２の熱伝導性電気絶縁部材１２１が接合されている。第１の熱伝導性電気絶縁部材１１１および第２の熱伝導性電気絶縁部材１２１は第１の熱伝導性部材１０２に熱的接合されている。そして、第１の熱伝導性部材１０２には、発光部材１０１が熱的接合されている。
【００１７】
発光部材１０１としては、ＬＥＤチップや半導体レーザーが用いられる。ＬＥＤチップや半導体レーザーは発光に伴い発熱する発熱体である。また、ＬＥＤチップや半導体レーザーは光学性能に対する温度依存性が大きい。したがって、所望の光量を安定して得るためには冷却が必要とされている。発光部材１０１は、第１の熱伝導性部材１０２に熱的に接合されている。なお、熱的接合とは、２つの部材間に熱の伝熱経路が形成されている状態を意味しており、接触や接着、接着剤等の他の部材を介して接続している状態を含む。以下、同様である。
【００１８】
第１の熱伝導性部材１０２は、発光部材１０１が発する熱を発光部材１０１から第１のペルチェモジュール１１０および第２のペルチェモジュール１２０に効率よく伝えるための熱拡散部材である。第１の熱伝導性部材１０２は、熱伝導性が高い金属材料が望ましく、例えば、銅合金やアルミニウムなどを使用すれば良好な熱伝導が図られる。
【００１９】
図２に、ペルチェ素子の冷却効果の説明図を示す。ペルチェ素子２０の基本的構成は、不足電子のｐ型半導体２１ｐおよび過剰電子のｎ型半導体２１ｎが電気的には直列に、熱的には並列に接続されている。ペルチェ素子２０に図２のように電源２２をつなぐと、電流はｎ型半導体２１ｎの下部電極２３ｎからｎ型半導体２１ｎ、上部電極２４、ｐ型半導体２１ｐを順にを通ってｐ型半導体２１ｐの下部電極２３ｐへ流れる。エネルギーは電子と共にこれとは逆の方向に移動する。ｎ型半導体２１ｎでは、電子が上部電極２４からｎ型半導体２１ｎに移動するためのエネルギーと、ｎ型半導体２１ｎの内部を下部電極２３ｎまで移動するためのエネルギーを上部電極２４側から得る為、その結果上部電極２４側でエネルギーが不足し、温度を下げる。これに対して下部電極２３ｎ側では電子が奪ったエネルギーを放出して暖まる。また、ｐ型半導体２１ｐでは、正孔が同様の働きをする。上部電極２４および下部電極２３ｐ、２３ｎには、銅等の金属が用いられる。
【００２０】
図３に、ペルチェモジュールの斜視図を示す。上述したペルチェ素子が、ｐ型とｎ型の半導体素子が交互になるように電気的に直列に接合され、ペルチェモジュールが形成されている。また、ｎ型の半導体の正極側とｐ型の半導体の負極側とがすべて同じ側になるように配置される。つまり、上述のペルチェ素子の上部電極がすべて同じ側になるように配置される。なお、上述のペルチェモジュールの両面の電極に熱伝導性絶縁部材であるセラミック基板を接合したものをペルチェモジュールと称する場合もあるが、本発明においては、セラミック基板の接合されていない上述のペルチェモジュールをペルチェモジュールと称する。
【００２１】
第１のペルチェモジュール１１０の冷却面である第１の上部電極１１２には第１の熱伝導性電気絶縁部材１１１が接合されている。熱伝導性電気絶縁部材とは、熱伝導性を有し、且つ、電気絶縁を有する部材のことである。熱伝導性電気絶縁部材としては、電気絶縁性を有するとともに熱伝導率の高いセラミック材料等が用いられる。同様に、第２のペルチェモジュール１２０の冷却側の電極である第２の上部電極１２２には第２の熱伝導性電気絶縁部材１２１が接合されている。
【００２２】
第１のペルチェモジュール１１０の放熱面である第１の下部電極１１３には第３の熱伝導性電気絶縁部材１１４が接合されている。また、第２のペルチェモジュール１２０の放熱面である第２の下部電極１２３には第４の熱伝導性電気絶縁部材１２４が接合されている。
【００２３】
第２、第３、第４の熱伝導性電気絶縁部材１２１、１１４、１２４は、第１の熱伝導性電気絶縁部材１１１と同様のものを用いることができる。
【００２４】
第１の熱伝導性電気絶縁部材１１１および第２の熱伝導性電気絶縁部材１２１は第１の熱伝導性部材１０２に熱的接合されている。接合部の境界部分には、熱的接合を安定化させるために補助的な熱接合部材として熱伝導性グリースなど塗布することも良好である。
【００２５】
第３の熱伝導性電気絶縁部材１１４および第４の熱伝導性電気絶縁部材１２４は弾性または塑性を有する第２の熱伝導性部材１０３に熱的接合されている。第２の熱伝導性部材１０３は、非鉄金属であっても、金属製であってもよい。第２の熱伝導性部材１０３は、弾性変形または塑性変形が容易で、熱伝導率の高いものが好ましい。
【００２６】
本実施の形態の照明装置１００はさらに、第１のペルチェモジュール１１０および第２のペルチェモジュール１２０からの熱を放熱する放熱手段１３０を備える。本実施の形態では、放熱手段１３０としてヒートシンク１３１とファン１３２を組み合わせたものを用いている。
【００２７】
ヒートシンク１３１としては、アルミニウムや銅などの金属を用いる。ヒートシンク１３１と第２の熱伝導性部材１０３は熱的接合されている。そして、ファン１３２により、ヒートシンク１３１の複数の突起部に風を送ることができるように構成されている。
【００２８】
なお、放熱手段１３０としては、ヒートシンク１３１またはファン１３２を単独で用いるものであってもよい。また、発熱量の大きな変化に対応するために強制的に不凍液などを循環させて、発熱量を移動させてラジエターなどを用い放熱して冷却する、いわゆる水冷装置であっても差し支えない。
【００２９】
次に、本実施の形態の照明装置１００の動作を説明する。
【００３０】
発光部材１０１は、所望の光出力を得るために、図示しない電源装置から電力が供給されて発光する。発光部材１０１にて光に変換されない電力は熱に変換され、発光部材１０１は発熱する。発光部材１０１で発生した熱は、第１の熱伝導性部材１０２に伝達される。そして、熱は第１の熱伝導性電気絶縁部材１１１、第２の熱伝導性電気絶縁部材１２１を介してそれぞれ第１のペルチェモジュール１１０および第２のペルチェモジュール１２０に分割して伝達される。
【００３１】
また、第１のペルチェモジュール１１０および第２のペルチェモジュール１２０にあっては、ＬＥＤチップとは独立にそれぞれ電源を有しており、それぞれの電源から電力が供給される。そして、第１の上部電極１１２および第２の上部電極１２２において吸熱作用が発生する。上述の第１のペルチェモジュール１１０および第２のペルチェモジュール１２０に分割して伝達された熱はそれぞれ第１の上部電極１１２および第２の上部電極１２２において吸収される。
【００３２】
以上のようにして、発光部材１０１は最適な温度状態となるように冷却される。
【００３３】
第１の上部電極１１２および第２の上部電極１２２においてそれぞれ吸収された熱は、第１の下部電極１１３および第２の下部電極１２３より、第２の熱伝導性部材１０３に伝達される。そして、その熱はヒートシンク１３１に伝達され、ヒートシンク１３１の複数の突起部から外気へ放熱される。ファン１３２は、ヒートシンク１３１の複数の突起部に風を送り、ヒートシンク１３１からの放熱効率を高めている。
【００３４】
このとき、第１のペルチェモジュール１１０において、第１の熱伝導性電気絶縁部材１１１と第３の熱伝導性電気絶縁部材１１４とで温度差が生じる。このとき、第３の熱伝導性電気絶縁部材１１４は第１の熱伝導性電気絶縁部材１１１よりも大きく膨張しようとする（または、第１の熱伝導性電気絶縁部材１１１は収縮しようとする）。そして、第１の熱伝導性電気絶縁部材１１１と第３の熱伝導性電気絶縁部材１１４との間に接合される第１の上部電極１１２、ｎ型の半導体、ｐ型の半導体、および、第１の下部電極１１３のそれぞれの接合部に応力が発生する。この応力が、第１の上部電極１１２または第１の下部電極１１３とｎ型の半導体またはｐ型の半導体との接合部が剥離する応力に達すると剥離が発生する。剥離が発生すると第１のペルチェモジュール１１０の電流経路が遮断されるため、第１のペルチェモジュール１１０は動作しなくなる。第２のペルチェモジュール１２０においても同様である。
【００３５】
しかし、本実施の形態では、ペルチェモジュールを２つ用いることにより、ペルチェモジュールを１つのみ用いる従来の照明装置に比べ熱伝導性電気絶縁部材を半分以下にすることができる。したがって、熱伝導性電気絶縁部材の膨張は従来に比べ半分以下に抑えることができるため、上述の剥離の発生を抑えることが可能となる。
【００３６】
また、本実施の形態では、第１の熱伝導性部材１０２も熱変形を起こす。これにより、第１のペルチェモジュール１１０と第２のペルチェモジュール１２０との相対位置が変化するが、この位置変化を第２の熱伝導性部材１０３の弾性変形または塑性変形にて吸収することが可能であり、第１のペルチェモジュール１１０および第２のペルチェモジュール１２０への応力の発生を抑えることが可能となる。
【００３７】
また、本実施の形態では、２個のペルチェモジュールを独立にそれぞれ駆動できるようにしているため、それぞれの駆動条件を変化させることにより最適な冷却条件に設定することが可能となる。
【００３８】
（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る照明装置の断面図である。本実施の形態における照明装置２００が実施の形態１における照明装置１００と異なる点についてのみ説明する。
【００３９】
本実施の形態における照明装置２００は、実施の形態１における照明装置１００から第３の熱伝導性電気絶縁部材１１４および第４の熱伝導性電気絶縁部材１２４を省いたものである。そして、第１の下部電極１１３および第２の下部電極１２３はそれぞれ第２の熱伝導性部材２０３に熱的接合されている。さらに、第２の熱伝導性部材２０３は、弾性または塑性を有するとともに電気絶縁性を有している。
【００４０】
本実施の形態によれば、実施の形態１において説明した各効果に加え、部品点数を減らすことができるという効果を得ることができる。
【００４１】
（実施の形態３）
図５は、実施の形態３に係る照明装置の断面図である。本実施の形態における照明装置３００が実施の形態１における照明装置１００と異なる点についてのみ説明する。実施の形態１における照明装置１００に比べ、本実施の形態では、発光部材１０１の温度を検出する温度検出手段３０１を追加し、その検出情報に基づき第１のペルチェモジュール１１０および第２のペルチェモジュール１２０の駆動を制御し、それぞれの冷却条件を制御する制御手段３０２をさらに備えたものである。
【００４２】
電力の供給による発熱部材１０１の温度上昇は推定できるが、実際の照明装置３００のばらつきやその他周辺状況によって状況が異なるため、実際の温度を知ることが重要になる。そのため、本実施の形態では、発光部材１０１の周辺に、または発光部材１０１に接する部分であり、発光部材１０１の温度と相関のとれている部分に温度センサーなどの温度検出手段３０１を設置している。特に、温度検出手段３０１の情報によって、第１のペルチェモジュール１１０および第２のペルチェモジュール１２０の駆動条件や放熱手段１３０の駆動条件などをそれぞれ最適な条件に駆動制御させる制御手段３０２を備えている。
【００４３】
なお、実施の形態２における照明装置２００にさらに上述の温度検出手段３０１および制御手段３０２を設けた構成としてもよい。
【００４４】
また、各実施の形態においては、ペルチェモジュールを２個使用する場合を説明したが、２個以上の複数であってもよい。
【００４５】
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な材料や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係る照明装置は、液晶ディスプレイ等のバックライト、投射型表示装置の光源等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施の形態１に係る照明装置の断面図
【図２】ペルチェ素子の冷却効果の説明図
【図３】ペルチェモジュールの斜視図
【図４】実施の形態２に係る照明装置の断面図
【図５】実施の形態３に係る照明装置の断面図
【図６】従来の照明装置の側面図
【符号の説明】
【００４８】
１０１  発光部材
１０２  第１の熱伝導性部材
１０３、２０３  第２の熱伝導性部材
１１０  第１のペルチェモジュール
１１１  第１の熱伝導性電気絶縁部材
１１２  第１の上部電極
１１３  第１の下部電極
１１４  第３の熱伝導性電気絶縁部材
１２０  第２のペルチェモジュール
１２１  第２の熱伝導性電気絶縁部材
１２２  第２の上部電極
１２３  第２の下部電極
１２４  第４の熱伝導性電気絶縁部材
１３０  放熱手段
１３１  ヒートシンク
１３２  ファン
３０１  温度検出手段
３０２  制御手段
【図１】
2007066696.tif 000003
【図２】
2007066696.tif 000004
【図３】
2007066696.tif 000005
【図４】
2007066696.tif 000006
【図５】
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【図６】
2007066696.tif 000008